大跨柔性点支式幕墙及采光顶等效风荷载和风致响应研究

摘要

大跨柔性点支式幕墙及采光顶支承体系的抗风设计是玻璃建筑结构设计中一个颇受关注的热点问题。然而由于我国点支式玻璃幕墙及采光顶使用的时间还比较短，开展的研究也不够全面，因此我国用于指导点支式玻璃幕墙设计的规范还需要进一步完善。如：玻璃幕墙工程技术规范(JCJ102-2003)和点支式玻璃幕墙技术规程(CECS 127∶2001)在幕墙支承体系抗风设计方面所采用的方法和准则就有所区别；而建筑结构荷载规范(GB50009)<'[1]>有一定的适用范围，其中有关风荷载的内容主要是针对高层建筑及高耸结构，在指导采光顶、屋盖等大跨空间钢结构工程的抗风设计方面，存在一定程度的局限性。故此，本文在总结前人频域分析理论成果的基础上，提出了更适用于计算大跨空间钢结构风致响应的时域方法和求解相应等效静力风荷载的新体系，通过工程实例的分析得到一些有益结论，具有重要的理论价值和实践指导意义。 传统的风振研究的方法是基于频域分析的线性方法，即：线性的结构和荷载假说基础上的模态分析方法，如模态叠加法。这样，荷载和结构的非线性特征就无法考虑。这种计算导致的偏差往往不好评价，因为结构极限状态设计方法通常是假设结构不出现这些非线性特征为前提的。时域分析方法为考虑结构非线性性能进行风振分析提供了方便，它主要包括以下两个部分的内容：一是风荷载时程的处理，二是结构的非线性动力分析。 关于风荷载时程的处理，本文提供了两种方法。第一种方法是采用Davenport风速谱，通过FFT(快速傅立叶变换技术)和Monte-Carlo随机变量模拟技术获得系列离散随机准静态荷载来表达具有空间相关性的风荷载时程。第二种方法利用气动刚性风洞试验的原始数据，将试验测点上的风速时程转化为考虑群体结构影响的风力时程。相对于第一种方法，第二种方法不再采用准定常假设，更符合采光顶及屋盖等大跨空间钢结构的实际情况。同时，由于工程项目的建筑设计完成以后，其基本建筑形式就确定下来，但其结构形式仍然会存在多种方案，这就需要对每个设计方案的动力性能和风致响应进行评价，而通过气动弹性试验来测定每个方案是不现实的；但如采用本文刚性测压试验原始数据和有限元时程分析相结合的方法，则可以通过一次刚性测压试验和多次有限元分析来解决，这显然更经济合理。关于结构的非线性动力分析，本文以多个工程实例为背景，建立多自由度大跨空间钢结构(索桁和索梁结构)的非线性有限元模型，采用隐式的Newmark积分方法，计算结构的风振时程响应。并对随机风振响应进行统计分析，得到结构关键位置响应的均值、方差及功率谱。通过与频域分析的结论相比较，根据其功率谱的一致性，证明时域方法不仅很好的反映了结构的非线性性能，而且同样客观的体现了结构的自振特性。因此，本文所提供的方法可以用于工程中确定大跨空间钢结构幕墙、采光顶、屋盖的风振系数，从而指导大跨点支式玻璃幕墙、采光顶、屋盖的抗风设计。 最后，本文参照频域分析静力等效风荷载的确定方法，提出了新的用于时域分析静力等效风荷载的完整体系，通过对上海世茂中庭幕墙及采光顶支承体系的分析，证明了这种方法的可行性。对于该方法出现的类似于GLF理论(GustLoading Factor，阵风荷载因子法)的零均值问题，本文提供了直接比较等效荷载能否成为结构抗风设计控制因素的附加措施，并针对一般空间大跨钢结构的抗风设计提出了一些合理的建议。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1点支式玻璃建筑的发展历程

1.2点支式玻璃建筑综述

1.2.1点支式玻璃建筑技术特点

1.2.2点支式玻璃建筑的分类

1.2.3点支式玻璃建筑的主要组成部分

1.3柔性支承点支式玻璃建筑应用研究的若干基本问题

1.3.1玻璃面板的研究

1.3.2支承体系的研究

1.4本文的主要研究内容、创新点和论文布局

1.4.1本文的主要工作及创新点

1.4.2本文的论文布局

参考文献

第2章大跨玻璃幕墙及采光顶风致响应的频域分析方法

2.1近地风的特征

2.1.1大气边界层与平均风速廓线

2.1.2脉动风的主要特性

2.1.3建筑物上的气动力

2.2大跨玻璃幕墙及采光顶风振响应的频域分析方法

2.2.1模态叠加法

2.2.2背景响应和共振响应分解求解法

2.2.3响应谱计算

2.3小结

参考文献

第3章大跨玻璃幕墙及采光顶风致响应的时域分析方法

3.1大面积玻璃幕墙及采光顶结构的风荷载的模拟研究

3.1.1风荷载模拟理论概述

3.1.2大跨空间结构风荷载的作用特点

3.1.3三维风场的模拟

3.2湍流中随时间变化的风荷载与风速的关系及假定

3.3索杆、索梁等张力结构的非线性有限元分析方法

3.3.1几何条件

3.3.2位移向量与结点力向量

3.3.3位移模式

3.3.4几何条件

3.3.5物理条件

3.3.6有限元基本方程

3.4运动方程的实用数值积分方法

3.4.1逐步积分：线性加速度法

3.4.2逐步积分：Newmark方法

3.5小结

参考文献

第4章柔性支承点支式玻璃幕墙风振时域和频域分析的一致性研究

4.1引言

4.2工程实例及其有限元模型

4.2.1工程概况

4.2.2建立有限元模型

4.3频域分析方法

4.3.1整体结构自振特性分析

4.3.2频域分析

4.4风场模拟

4.4.1荷载模拟

4.4.2钝体空气动力学荷载假说

4.4.3玻璃幕墙的风荷载模拟

4.5时域分析

4.6风振系数计算

4.7结论

参考文献

第5章考虑建筑群体效应的中庭幕墙及采光顶风荷载特性的试验研究

5.1引言

5.2试验概况

5.2.1模型设计和测点布置

5.2.2大气边界层风场的风洞模拟

5.2.3试验工况

5.2.4数据处理

5.3幕墙及采光顶玻璃的风压计算

5.3.1基于规范方法的结果

5.3.2基于统计分析的结果

5.4幕墙及采光顶支承体系的抗风设计

5.5小结

参考文献

第6章中庭幕墙及采光项随机风致响应和等效风荷载研究

6.1传统频域分析中等效风荷载的确定方法

6.1.1阵风荷载因子法(GLF方法)

6.1.2惯性风荷载法(GBJ方法)

6.1.3荷载响应相关法(LRC方法)

6.1.4 Holmes方法

6.2玻璃幕墙及采光顶静力等效风荷载的确定方法

6.2.1时域分析结果中建筑结构等效风荷载定义

6.2.2关于风振系数随风荷载变化敏感性的讨论及其处理办法

6.3风荷载时程

6.4非线性时程分析方法

6.5采光顶的分析过程

6.5.1有限元模型

6.5.2荷载施加及荷载风振系数的计算

6.5.3结构的模态分析

6.5.4结构的风振分析及位移风振系数的计算

6.6幕墙结构的分析过程

6.6.1有限元模型

6.6.2荷载施加及荷载风振系数的计算

6.6.3结构的模态分析

6.6.4结构的风振分析及位移风振系数的计算

6.7小结

参考文献

第7章结论与展望

7.1本文的主要工作和结论

7.2进一步工作的方向

致谢

在读期间发表的学术论文与研究成果